Po čtyřech stoletích obživl na Starém městě Golem.

Vladimír Wagner

Událost, která proběhla nedaleko místa odpočinku rabína Löwa, zapadá do oslav letošního čtyřstého výročí jeho úmrtí. V podzemí budovy patřící Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT obživl tokamak Golem, který bude pomáhat jejím studentů vnikat to podstaty chování horkého plazmatu a jeho využití při cestě za energií z termojaderné fúze.

Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská (FJFI) ČVUT se nachází i v budově v Břehové ulici. Ze své kanceláře tam mám krásný výhled na Starý židovský hřbitov, kde je také pohřben rabín Löw (rabín Jehuda Löw ben Becalel). Ten v roce 1580 údajně vytvořil Golema, který byl oživován šémem. Podle legendy jej rabín zničil a pozůstatky byly uloženy ve Staronové synagoze. A právě nyní, v době čtyřstého výročí úmrtí rabína Löwa, obživl v podzemí budovy této fakulty tokamak Golem, aby pomohl studentům v cestě za podstatou energie.

Golem je legendou spojován s rabínem Löwem, který odpočívá na Starém židovském hřbitově

Dříve byl název tokamaku CASTOR a nyní Golem

Jde o znovu zprovozněný tokamak, který pracoval pod názvem CASTOR až do roku 2006 v Ústavu fyziky plazmatu AVČR. Když bylo jasné, že ústav dostane nový tokamak COMPASS (COMPact ASSembly), bylo rozhodnuto starý tokamak demontovat a uvažovalo se o jeho dalším osudu. V té době také začal na FJFI fungovat obor „termojaderná fúze“ a vznikla idea, že by starý tokamak mohl úspěšně sloužit studentům při jejich experimentování. Díky úsilí Vojty Svobody a celé řady dalších lidí jak z fakulty tak Ústavu fyziky plazmatu AVČR se podařilo tokamak přemístit a znovu oživit. Na těchto pracích se pochopitelně podíleli i studenti termojaderné fúze a Golem tak hned začal plnit svou vzdělávací úlohu.

Tokamak dorazil k budově FJFI v Břehové ulici a je vykládán (zdroj KF FJFI)

Funkce tokamaku je podrobně vysvětlena v článku o cestě k termojaderné fúzi, který jsem pro Osla napsal v minulém roce. Takže toto zařízení popíši jen krátce a ještě se dost omezím na řešení v případě tokamaku Golem. Hlavním účelem tokamaku je uvěznit plazma pomocí intenzivního magnetického toroidního pole. Magnetická pole v tokamaku jsou v zásadě dvojího typu. Jednak ve směru podél obvodu prstence, které hlavně udržuje nabité částice plazmatu v prstenci. To je vytvářeno magnetickými cívkami okolo prstence. Maximální dosažitelná hodnota intenzity magnetického pole je 1,5 T. Další pole je vytvářeno v průřezu prstence a zabraňuje plazmě v úniku ve směru ke stěnám komory. Z velké části jej vytváří elektrický proud tekoucí plazmatem. Tento proud se vytváří induktivně, podobně jako v transformátoru. Velice důležité je udržení velmi vysokého vakua v nádobě tokamaku, to dosahuje v případě tokamaku Golem hodnoty až desetitisíciny pascalu. Vznik plazmatu se iniciuje výbojem v plynném vodíku, který se do jeho komory vstřikne. K tomu potřebujeme, byť jen na kratičký okamžik (v řádu jednotek až desítek milisekund) dosáhnout velmi vysokého výkonu. K potřebnému zkoncentrování energie se vyžívá kondenzátorová baterie, přičemž použité kondenzátory mají celkovou kapacitu 0,018 F. Baterie je nabíjena na napětí v řádu tisícovky voltů. Díky ní tak lze dosáhnout na krátký okamžik velmi vysokých proudů v řádu až desítek kiloampér.

Tokamak Golem po instalaci na svém novém působišti (zdroj KF FJFI ČVUT)

Vědecká dráha našeho tokamaku začala už v šedesátých letech v Kurčatovském ústavu v Moskvě pod názvem TM-1-MH. Do Česka byl převezen v roce 1977. Jedná se o relativně malé zařízení s hlavním poloměrem toroidu 0,4 m. Vedlejší poloměr, který určuje poloměr průřezu trubky toroidu je 8 cm. Může pochopitelně vzniknout otázka, zda takto starý tokamak může dobře plnit vědecké úkoly i po tak dlouhé doby od svého zrodu. Je však nutno říci, že parametry a kvalita tohoto typu zařízení je hlavně dána vakuovou nádobou a hlavním elektromagnetem. A ty nestárnou a mají výborné parametry. Zároveň tokamak prodělal několik modernizací a i nyní se počítá s dalším vylepšováním. Hlavně v použití diagnostiky chování plazmatu a ovládání samotného tokamaku. Na všech pracích, které jsou s těmito akcemi spojeny, se budou intenzivně podílet také studenti. Už teď je dokončeno ovládání tokamaku na dálku přes internet, takže s ním mohou v principu pracovat i zahraniční studenti ze svých domovských univerzit. Tím se stal mezi tokamaky unikátem. Plánuje se postupné vybavování dalším moderním zařízením.

Grafický výstup diagnostikovaných veličin jednoho z prvních zapálení plazmatu v tokamaku Golem. (zdroj KF FJFI ČVUT)

Inaugurace Golema

V průběhu září se díky intenzivnímu úsilí podařilo uskutečnit první zapálení plazmatu a začít s provozováním tokamaku. Na grafickém výstupu diagnostických prvků můžeme vidět výsledek jednoho z prvních zapálení plazmatu. Zelené křivky popisují sledované veličiny v případě, že v komoře není vodík a ke vzniku plazmatu tak dojít nemůže. Červené pak v situaci, kdy je do komory vpuštěn plynný vodík a dojde během výboje ke vzniku plazmatu. Z rozdílu v křivkách je vidět, že došlo k zapálení plazmatu v čase 6 ms a plazma existovalo po dobu 4 ms. Svědčí o tom náhlý pokles napětí na závit Uloop a signál z fotočlánku v posledním grafu. Fotočlánek monitoruje záření plazmatu ve viditelné oblasti spektra. Signál Bt představuje průběh vnějšího magnetického pole sloužícího k udržení plazmatu v komoře a signál Ip+ch monitoruje proud komorou a plazmatem (v grafu lze rozeznat složku proudu plazmatem v čase od 6. do 10. ms, která je superponována k proudu komorou – ten má trvale sestupnou tendenci ). Je třeba připomenout, že při zážehu plazmatu se díky elektronům pohybujícím se v magnetickém poli po zakřivené dráze produkuje brzdné rentgenovské záření a v té době se nikdo nesmí v blízkosti tokamaku nacházet. 
Čtyři milisekundy trvající zážeh plazmatu je relativně krátký. V dobách své největší slávy pod jménem CASTOR produkoval tokamak zážehy trvající až čtyřicet milisekund. Ovšem Golem je teprve na začátku a řada podpůrných zařízení ještě není instalována. I s pomocí studentů se budou jeho parametry v budoucnu zlepšovat.
FJFI se tak stala jednou z velmi mála fakult, ve kterých mají studenti přístup k tak excelentním zařízením jako je reaktor a tokamak. Spuštění tokamaku Golem se proto stalo důvodem pro jeho slavnostní inauguraci, která proběhla druhé zářijové pondělí. Zúčastnili se ji představitelé ČVUT, samotné FJFI i Ústavu fyziky plazmatu AVČR, pochopitelně i studenti. Setkali se tak ti, kteří tokamak využívali, i ti, kteří jej využívat budou. A byla to také příležitost poděkovat všem, kteří se na úspěšném přestěhování podíleli. I při inauguraci se z dálky podařilo úspěšné zapálení plazmatu a neprojevil se při něm žádný „generálský efekt“.
 

Vojta Svoboda (v montérkách) a studenti konzultují další postup při instalaci a spouštění tokamaku Golem (zdroj KF FJFI ČVUT)

Tři tokamaky v Česku

Na závěr je třeba připomenout, že v Česku nejsou jen dva tokamaky v Praze, tedy zmiňovaný Golem na FJFI a také zmíněný COMPASS v Ústavu fyziky plazmatu AVČR. Třetí tokamak funguje v Brně. Zjistili jsme to, když se chtěla zřídit doména pro Golema. Doména tokamak.cz už byla obsazena. Vlastní ji brněnská kapela Tokamak. Bylo tak přirozené, že její hudebníci byli pozváni na inauguraci tokamaku Golem a zahráli mu k jeho probuzení několik svých písniček. Od přítomných fyziků si vysloužili upřímný aplaus. Na závěr bych ještě všem doporučil se v případě zájmu podívat na stránky Golema a dozvědět se o něm i něco více.

Brněnská kapela Tokamak se zúčastnila inaugurace tokamaku Golem

Tento článek je dalším příspěvkem do série o práci v ústavech Akademie věd. V tomto případě jde ukázku velice úspěšné spolupráce mezi Akademií věd a vysokými školami při vzdělávání, tentokrát Fakultou jadernou a fyzikálně inženýrskou ČVUT v Praze. Chtěl bych jej věnovat Vojtovi Svobodovi, který byl hlavní duší vytvoření a oživení novodobého Golema.

V Řeži 20.9.2009

---